Vuorokausirytmin vaikutus aivojen NAD:iin mitattuna fosforimagneettiresonanssispektroskopialla 7 Teslassa (ChronoBrain)

Vuorokausikellon löytö loi ensin geneettisen perustan käyttäytymiselle, ja ymmärryksemme vuorokausirytmistä (CIR) on sittemmin laajentunut tarjoamaan molekyylien näkemyksiä fysiologiasta ja sairauksista. Haasteena on kuitenkin edelleen kääntää nämä oivallukset CIR:n roolista soluissa ja kudoksissa klinikalle. Monet mekanistiset esikliiniset kokeet ovat osoittaneet, että CIR liittyy suoraan nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi (NAD) -tasoihin ja NAD-pelkistyssuhteeseen ja että NAD-värähtelyamplitudi pienenee ikääntymisen aikana ja neurologisten sairauksien mallissa. Ihmisen ex vivo -tiedot ovat myös osoittaneet, että NAD värähtelee ajan myötä ihmisen punasoluissa. Vaikka lisääntyvät todisteet malliorganismeista osoittavat aivojen NAD:n keskeisen roolin energian homeostaasin ja CIR:n ylläpitämisessä, samankaltaisia ​​tietoja ihmisistä on vähän. Tähän mennessä ihmisillä ei ole raportoitu tutkimuksia CIR:n vaikutuksesta aivojen NAD-tasoihin.

NAD on tärkeä kofaktori, joka osallistuu aivojen bioenergetiikkaan aineenvaihdunnassa ja adenosiinitrifosfaatin (ATP) tuotannossa, aivojen energiavaluuttana. NAD esiintyy hapettuneessa (NAD+) tai pelkistetyssä (NADH) muodossa, jolloin NAD+/NADH (pelkistyssuhde) on tärkeä sytosolisen ja mitokondrioiden metabolisen homeostaasin määrääjä. Lisäksi NAD+ on avainsubstraatti useille NAD+-riippuvaisille entsyymeille, ja sitä kuluttaa vähintään neljä entsyymiluokkaa, jotka osallistuvat genomisen stabiilisuuteen, mitokondrioiden homeostaasiin, adaptiivisiin stressivasteisiin ja solujen eloonjäämiseen, mukaan lukien Sirtuiinit. Subsellulaarisen NAD+-synteesin modulaatio voi säädellä signalointireittien ajoitusta. Nisäkkäiden vuorokausirytmit koordinoidaan metabolisen aktiivisuuden kanssa nikotiiniamidifosforibosyylitransferaasin (NAMPT) kontrolloidun ilmentymisen kautta. NAMPT:n säätely puolestaan ​​johtaa värähteleviin NAD+-tasoihin. NAD+:n rytminen värähtely toimii palaute-ajastimena moduloimalla NAD+-riippuvaisten entsyymien, mukaan lukien sirtuiinien, aktiivisuutta, mikä auttaa määrittämään syklien jaksollisuuden. NAMPT-värähtelyt sanelevat myös mitokondrioiden NAD+-tasot ja koordinoivat soluhengitystä valveillajaksojen kanssa. Näissä tapauksissa NAMPT-tasojen modulointi ajaa NAD+-pitoisuuksien nousua ja laskua, mikä rajoittaa Sirtuiinien toiminnan kestoa.

Hermoston aineenvaihdunnan hienosäätö on välttämätöntä aivojen toiminnalle, koska hermosolujen poltto aiheuttaa dynaamisia muutoksia paikallisessa energiantarpeessa. Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLS) tarjoaa yhden tavan ymmärtää, kuinka nämä muuttuvat tarpeet täytetään. Tässä mallissa hermosolujen aktiivisuus lisää solunulkoista glutamaattia, mikä stimuloi lisääntynyttä glukoosinottoa ja glykolyysiä astrosyyteissä. Astrosyyteissä laktaattia tuottaa pyruvaatista palautuvalla tavalla sytoplasman laktaattidehydrogenaasientsyymi. Tämä entsyymi vaatii NAD:ta kofaktorina ja yksi NADH muuttuu NAD+:ksi, kun yksi pyruvaattimolekyyli muuttuu laktaatiksi. Sitten astrosyytit vapauttavat tämän laktaatin, mikä lisää sen solunulkoista pitoisuutta. ANLS-hypoteesin kannalta tärkeää, että lähellä olevat neuronit voivat käyttää laktaattia energialähteenä.

Lisäksi CIR-sääntelyn vaikutuksesta ihmisen psykologiset ja fysiologiset toiminnot vaihtelevat ajan myötä päivän aikana. Tämä vaikutus on havaittu monilla kognitiivisilla aloilla sekä riskialttiissa päätöksenteossa ja palkitsemistoiminnassa.

Hypoteesi on, että CIR moduloi aivojen NAD-tasoa ja että NAD-pelkistyssuhteen pitäisi nousta päivän aikana. Tämän projektin ensisijaisena tavoitteena on määrittää aivojen NAD-tila aamulla ja iltapäivällä. Monet esikliiniset tulokset ovat viittaaneet vuorokausivaikutukseen aivojen NAD:iin, mutta kliinistä tietoa ei ole saatavilla.

Tässä tutkimuksessa takaraivoalueen NAD+- ja NADH-tasot määritetään 31P-MR-spektroskopialla 7 T:ssa. Myös kokonais-NAD (tNAD) ja NAD-pelkistyssuhde NAD+/NADH lasketaan. Mittaus suoritetaan aamulla paastotilassa (AM-istunto) ja puolivälissä iltapäivällä (PM-istunto) 3 tuntia lounaan nauttimisen jälkeen. Sen varmistamiseksi, että AM- ja PM-mittaukset tehdään kahdessa eri vuorokausitilassa, mitataan syljen kortisoli. Samanaikainen muiden energiametaboliittien (esim. laktaatti, PCr, ATP) hankitaan tutkivaa analyysiä varten. Jotta voidaan tutkia, kuinka NAD-tila korreloi palkkion aktivoinnin käyttäytymismittareiden kanssa, automaattinen Balloon Analogue Risk Task (BART) -testi suoritetaan jokaisen AM- ja PM-istunnon lopussa.